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利奧·西拉德（Leo Szilard）和愛(ài)德華·泰勒（Edward Teller）說(shuō)服阿爾伯特·愛(ài)因斯坦聯(lián)名簽署了一封寫(xiě)給總統(tǒng)富蘭克林·羅斯福的信，提醒其德國(guó)研制裂變式原子彈的可能性，此事與曼哈頓計(jì)劃的發(fā)起是密切相關(guān)的。

1939年10月，羅斯?？偨y(tǒng)收到這封信之后，即授意成立了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局鈾咨詢委員會(huì)，以資助和協(xié)調(diào)研究工作。

1940年6月，該委員會(huì)被調(diào)往國(guó)防研究委員會(huì)（NDRC），一年后又轉(zhuǎn)到NDRC的繼任機(jī)構(gòu)——科學(xué)研究與發(fā)展辦公室（OSRD）。NDRC和OSRD都是由麻省理工學(xué)院的電氣工程師萬(wàn)尼瓦爾·布什（Vannevar Bush）領(lǐng)導(dǎo)的。到日本偷襲珍珠港的時(shí)候，對(duì)核裂變和同位素分離的研究資金已經(jīng)達(dá)到了30萬(wàn)美元。從1941年春季到年底，由亞瑟·康普頓（Arthur Compton）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)委員會(huì)忙于準(zhǔn)備關(guān)于反應(yīng)堆和炸彈可行性的報(bào)告。布什在珍珠港事件爆發(fā)之前向羅斯福提交的最后一份報(bào)告詳盡地闡述了裂變式原子彈的前景。

康普頓的最后一份報(bào)告受到了英國(guó)的一份準(zhǔn)備報(bào)告的影響。1940年3月，當(dāng)時(shí)任職于伯明翰大學(xué)的奧托·弗里希（Otto Frisch）和魯?shù)婪颉づ鍫査梗≧udolf Peierls）正在準(zhǔn)備一份著名的備忘錄，其中他們估計(jì)鈾235的臨界質(zhì)量大約是1磅。（眾所周知，鈾最豐富的同位素——鈾238是非裂變物質(zhì)。）由于對(duì)裂變橫截面做了過(guò)高的假設(shè)，這個(gè)數(shù)值被證明是低估了；正確的臨界質(zhì)量是52公斤或超過(guò)100磅。英國(guó)政府防空作戰(zhàn)科學(xué)調(diào)查委員會(huì)主席亨利·蒂澤德（Henry Tizard）看到了弗里希－佩爾斯備忘錄之后，就要求物理學(xué)家喬治·湯姆森（George Thomson）去調(diào)查裂變式原子彈和同位素濃縮的可行性。湯姆森組建了一個(gè)委員會(huì)，該委員會(huì)于1941年7月就研制裂變式原子彈和必要工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的可能性發(fā)表了一份長(zhǎng)篇報(bào)告。這份報(bào)告遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于美國(guó)當(dāng)時(shí)的研發(fā)狀況，布什于當(dāng)年10月份才看到并向羅斯福簡(jiǎn)要介紹了其內(nèi)容。

就在珍珠港事件之后，奧本海默加入了康普頓的委員會(huì)，招募了塞伯爾進(jìn)行核裂變的項(xiàng)目研究。兩人之前曾在一起工作過(guò)：塞伯爾于1934年加入了加州大學(xué)伯克利分校的奧本海默研究小組，該小組由國(guó)家研究委員會(huì)資助，從事博士后研究工作，塞伯爾甚至還曾一度負(fù)責(zé)監(jiān)管奧本海默的研究生。塞伯爾于1938年離開(kāi)伯克利，前往伊利諾伊大學(xué)香檳分校任教。1942年4月，他又重新回到了奧本海默的團(tuán)隊(duì)，其任務(wù)是研究湯姆森和康普頓關(guān)于臨界質(zhì)量和炸彈效率的評(píng)估報(bào)告。

a.《洛斯阿拉莫斯入門(mén)》的作者羅伯特·塞伯爾（左）同洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室主任羅伯特·奧本海默交談。b.奧本海默與萊斯利·格羅夫斯在“三位一體”試爆試驗(yàn)場(chǎng)

當(dāng)塞伯爾回到伯克利的時(shí)候，布什向羅斯福報(bào)告說(shuō)，可以及時(shí)研制裂變式原子彈來(lái)影響戰(zhàn)爭(zhēng)，但需要龐大的工廠來(lái)分離鈾235并合成出钚239。（后來(lái)，這些工廠設(shè)施建在了田納西州的橡樹(shù)嶺和華盛頓州的漢福德，到1945年已經(jīng)以近20億美元雇用了數(shù)十萬(wàn)人。）羅斯福和布什一致認(rèn)為，只有美國(guó)軍隊(duì)才能在必要的保密前提下執(zhí)行這一計(jì)劃，于是美軍在1942年8月建立了曼哈頓工程區(qū)。這個(gè)地區(qū)之所以如此命名，是因?yàn)槠涞谝蝗晤I(lǐng)導(dǎo)人詹姆斯·馬歇爾（James Marshall）將總部設(shè)在了紐約的哥倫比亞大學(xué)附近，那里有一些研究正在進(jìn)行；然而，這在陸軍工程區(qū)中是極不尋常的，因?yàn)樗鼘?duì)于其設(shè)施的位置沒(méi)有任何限制。1942年9月，該地區(qū)轉(zhuǎn)而由萊斯利·格羅夫斯（Leslie Groves）指揮，他負(fù)責(zé)國(guó)內(nèi)所有的軍事設(shè)施建設(shè)；其負(fù)責(zé)的最后一個(gè)大項(xiàng)目是五角大樓。1942年10月，奧本海默會(huì)見(jiàn)了格羅夫斯，并提出要建一個(gè)集中的實(shí)驗(yàn)室來(lái)協(xié)調(diào)研究——這就是洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室。

《洛斯阿拉莫斯入門(mén)》的前幾章對(duì)裂變物理學(xué)進(jìn)行了概述。涵蓋了以下內(nèi)容：

然而，塞伯爾在《洛斯阿拉莫斯入門(mén)》中強(qiáng)調(diào)，隨著鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的推進(jìn)，由于原子彈的核芯溫度升高并不斷膨脹，實(shí)際上發(fā)生裂變的裂變物質(zhì)的比例——設(shè)備的效率——本來(lái)就低。臨界狀態(tài)的條件，創(chuàng)造和維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的必要條件取決于核芯半徑與密度的乘積。隨著核芯的膨脹，它的密度必然降低，它會(huì)不可避免地達(dá)到無(wú)法繼續(xù)維持臨界狀態(tài)的半徑范圍。對(duì)于兩個(gè)臨界質(zhì)量的鈾235的核芯來(lái)說(shuō)，臨界關(guān)閉的徑向膨脹只有大約1厘米，效率最多只能達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)。

“小男孩”(左）和“胖子”，分別被投在廣島和長(zhǎng)崎

效率問(wèn)題的重要性可以通過(guò)源自《洛斯阿拉莫斯入門(mén)》中的一個(gè)粗略的數(shù)量級(jí)計(jì)算來(lái)說(shuō)明。核芯的膨脹速度如此之快，以至于在整個(gè)核芯被裂變之前，臨界狀態(tài)就會(huì)喪失，效率就會(huì)被破壞。在1 μs的時(shí)間內(nèi)膨脹1厘米，可容許的膨脹速度可達(dá)每秒1萬(wàn)米。假設(shè)單個(gè)中子引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，每個(gè)裂變釋放出n個(gè)中子并且產(chǎn)生G裂變連鎖反應(yīng)級(jí)，釋放出的中子總數(shù)就是nG。假設(shè)這些裂變產(chǎn)生的所有能量都進(jìn)入了膨脹核芯的動(dòng)能，那么就可以估算出達(dá)到給定膨脹速度所需要的裂變連鎖反應(yīng)級(jí)的數(shù)量。對(duì)于一個(gè)60公斤的核芯（廣島原子彈的質(zhì)量）和n=2中子的每次裂變，需要66個(gè)連鎖反應(yīng)級(jí)才能達(dá)到每秒104米的速度，釋放的總能量相當(dāng)于1噸的TNT。即使可容許的速度達(dá)到每秒106米，效率仍然不足1%。

塞伯爾將情況總結(jié)如下：“因?yàn)橹挥凶詈髱讉€(gè)裂變連鎖反應(yīng)級(jí)才能釋放出足夠的能量來(lái)產(chǎn)生大量的膨脹，所以在被活性物質(zhì)的擴(kuò)散阻止之前，反應(yīng)才有可能在一個(gè)有趣的范圍內(nèi)發(fā)生?！彼谩坝腥ぁ边@個(gè)詞來(lái)描述一場(chǎng)可能會(huì)造成巨大破壞的爆炸，令人感到吃驚，但是他的這種風(fēng)格貫穿整個(gè)《洛斯阿拉莫斯入門(mén)》，使枯燥無(wú)味的知識(shí)變得生動(dòng)起來(lái)。

塞伯爾接下來(lái)介紹了用一個(gè)中子反射器來(lái)圍繞核芯的想法，中子反射器是一種完備的金屬外殼，它能將逃跑的中子反射回核芯里，以產(chǎn)生更多的裂變，從而降低臨界質(zhì)量，并提高炸彈的效率。一個(gè)只有幾厘米厚的中子反射器就足以使臨界質(zhì)量降低到一半或更少。在廣島投下的鈾彈“小男孩”和在長(zhǎng)崎投下的钚彈“胖子”都使用了中子反射器，前者用的是碳化鎢，后者用的是天然鈾和鋁的嵌套殼?！靶∧泻ⅰ钡奶蓟u中子反射器不僅對(duì)中子反射率很重要，而且對(duì)其強(qiáng)度也很重要?！靶∧泻ⅰ笔怯梢环N射擊方式引爆的。其中，一個(gè)超臨界的核芯是由大炮炮筒中可裂變物質(zhì)的兩個(gè)次臨界部分組裝而成的。其中，目標(biāo)部分是固定的，而輔助的彈體部分則是由常規(guī)炸藥推進(jìn)的。這個(gè)中子反射器必須足夠強(qiáng)大，才能阻止彈體從目標(biāo)中吹過(guò)?！芭肿印眱?nèi)部的鈾238中子反射器大大增強(qiáng)了原子彈的能量，通過(guò)極高能的中子裂變了原本是非裂變的鈾238核；估計(jì)“胖子”有20%的能量是由這種效應(yīng)產(chǎn)生的。

引爆原子彈：a.在射擊方式中，可裂變物質(zhì)的彈體由常規(guī)炸藥推進(jìn)到目標(biāo)中。目標(biāo)和彈體這兩個(gè)本身都不能單獨(dú)構(gòu)成臨界質(zhì)量，但當(dāng)它們結(jié)合時(shí)，就會(huì)形成臨界質(zhì)量。b.引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的引發(fā)劑，包含了幾毫克的釙，周圍用一層鈹包裹。當(dāng)釙與鈹之間的屏障被組裝的核彈核芯破壞時(shí)，元素就會(huì)混合，而阿爾法n效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量中子來(lái)引發(fā)反應(yīng)。c.在內(nèi)爆方法中，通過(guò)引爆炸藥，使得楔形部分同時(shí)向中心合攏，形成一個(gè)臨界質(zhì)量。內(nèi)爆比射擊方式速度更快，更適合于钚彈的引爆

《洛斯阿拉莫斯入門(mén)》第12章對(duì)核爆炸的預(yù)期效果進(jìn)行了發(fā)人深省的分析。塞伯爾研究了造成破壞的3種原因：中子輻射、放射性和沖擊波。高能中子會(huì)造成細(xì)胞損傷；從一項(xiàng)基于空氣里中子散射特性的簡(jiǎn)單分析中，塞伯爾確定“嚴(yán)重的病態(tài)效應(yīng)”將發(fā)生在距離爆心投影點(diǎn)半英里的范圍。放射性的影響會(huì)有更大變數(shù)，取決于當(dāng)?shù)氐牡乩怼⑻鞖夂捅ǜ叨?。塞伯爾估?jì)，核爆10天后，剩余輻射將會(huì)達(dá)到100萬(wàn)居里級(jí)別，相當(dāng)于1000公斤的鐳。

后來(lái)由塞繆爾·葛萊斯棟（Samuel Glasstone）和菲利普·多蘭（Philip Dolan）所做的一項(xiàng)分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)數(shù)值要稍高一些，但與塞伯爾的分析大致一致。1 000噸爆炸后的放射性會(huì)在一分鐘后達(dá)到300億居里的級(jí)別，之后會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰減——幾分鐘后變?yōu)?2億居里。2萬(wàn)噸的爆炸在10天之后放射性為600萬(wàn)居里，在30天之后則為160萬(wàn)居里。

數(shù)百萬(wàn)居里是大量的輻射，但人類受危害的程度也取決于輻射的分布范圍。廣島和長(zhǎng)崎的原子彈設(shè)定在1600英尺的高空引爆，以盡可能減少在土壤和碎片中由中子俘獲引起的放射性，并使裂變產(chǎn)物得以廣泛分散。1945年9月，在原子彈爆炸后的一個(gè)月，作為訪問(wèn)廣島和長(zhǎng)崎的一個(gè)調(diào)查小組成員之一，塞伯爾并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何殘留的放射性。絕大多數(shù)的受害者死于爆炸和燒傷，而不是輻射。

為了估計(jì)物理爆炸造成的破壞，塞伯爾從常規(guī)炸彈的沖擊波峰值壓力、炸彈當(dāng)量和距離這三者之間的已知關(guān)系中進(jìn)行了推斷。對(duì)于10萬(wàn)噸的當(dāng)量，他估計(jì)沖擊波會(huì)傳播兩英里。塞伯爾為什么選擇10萬(wàn)噸的當(dāng)量？這比《洛斯阿拉莫斯入門(mén)》中出現(xiàn)的其他任何當(dāng)量都要高得多，對(duì)此他并未做出解釋。長(zhǎng)崎原子彈爆炸產(chǎn)生了大約2萬(wàn)噸的能量，并對(duì)距離爆心投影點(diǎn)超過(guò)1英里的鋼架建筑造成了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞。

在《洛斯阿拉莫斯入門(mén)》中，塞伯爾說(shuō)自己忽略了另一種損傷效應(yīng)：在核爆炸中釋放出的耀眼強(qiáng)光和巨大熱量。就在爆炸發(fā)生后，一英里外的觀察者會(huì)看到一個(gè)火球，其大小是太陽(yáng)的350倍，亮度是太陽(yáng)的3倍。在廣島，距離爆心投影點(diǎn)1.5英里范圍以內(nèi)的人都遭到了燒傷。

《洛斯阿拉莫斯入門(mén)》的最后幾章討論了有關(guān)如何引爆核彈并使其效率最大化的幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。一個(gè)核心問(wèn)題就是避免所謂的預(yù)爆轟——核芯組裝只有部分完成時(shí)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就開(kāi)始了——會(huì)導(dǎo)致爆炸比預(yù)期效率低得多。

在上圖a所示的射擊方式中，彈體可達(dá)到的最大拋射速度約為每秒1千米。對(duì)于尺寸為10厘米數(shù)量級(jí)的彈體而言，從彈體第一次進(jìn)入目標(biāo)到組裝完成，需要100 μs的時(shí)間。如果在這段時(shí)間內(nèi)，一個(gè)雜散中子在接近完成組裝的核芯中引起裂變，那么就會(huì)導(dǎo)致預(yù)爆轟。

雜散中子可能有3種來(lái)源：宇宙射線，裂變物質(zhì)本身的自發(fā)裂變以及所謂的阿爾法n反應(yīng)——由可裂變物質(zhì)自然釋放的阿爾法粒子會(huì)撞擊光元素核和雜質(zhì)，并釋放中子。這些過(guò)程本質(zhì)上都是隨機(jī)的，必須從概率上進(jìn)行分析。宇宙射線是無(wú)關(guān)緊要的，它們的流量過(guò)低，不可能有機(jī)會(huì)造成預(yù)爆轟。同樣地，鈾235和钚239的自發(fā)裂變和阿爾法衰變率要足夠低，以確保預(yù)爆轟的低概率。钚239的相對(duì)較短的阿爾法衰變半衰期——2.4萬(wàn)年（鈾235的是7.05億年）——要求钚彈中的任何一種輕元素雜質(zhì)含量都不超過(guò)百萬(wàn)分率（ppm）的水平。事實(shí)上，一旦核芯組裝完成，阿爾法n過(guò)程作為引發(fā)劑的中心，就會(huì)用來(lái)引爆核彈。一個(gè)高爾夫球大小的囊，如上圖b所示，包含了阿爾法放射釙和輕元素鈹，最初由一層金屬箔隔開(kāi)。囊被組裝完成的核芯壓碎，因此混合了元素，釋放了中子，并引發(fā)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

但是在1944年的夏天，钚被發(fā)現(xiàn)有一個(gè)比雜質(zhì)嚴(yán)重得多的問(wèn)題——雜散中子。當(dāng)一個(gè)反應(yīng)堆的钚239原子核被中子擊中時(shí)，它就有機(jī)會(huì)俘獲中子而變成钚240。因此，核反應(yīng)堆產(chǎn)生的钚則不可避免地含有一些钚240，其自發(fā)裂變率接近于每千克每秒近50萬(wàn)次。長(zhǎng)崎爆炸的原子彈包含6公斤的钚。如果這樣的質(zhì)量受到哪怕是1%的钚240的污染，那么中子的發(fā)射率將會(huì)超過(guò)每秒7萬(wàn)次，或者是超過(guò)0.07 μs的核芯組裝時(shí)間，足以確定會(huì)引發(fā)預(yù)爆轟。

大約在塞伯爾講座期間，钚的發(fā)現(xiàn)者格倫·西博格（Glenn Seaborg）從理論上預(yù)期了钚240的污染及自發(fā)裂變的可能性，但當(dāng)時(shí)還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這種影響被認(rèn)為是一場(chǎng)嚴(yán)重的危機(jī)，奧本海默迅速將幾個(gè)洛斯阿拉莫斯研究小組進(jìn)行了重組，以應(yīng)對(duì)這一危機(jī)。唯一可行的選擇是開(kāi)發(fā)一個(gè)新流程，能夠在不超過(guò)幾微秒的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)一個(gè)核芯的組裝。結(jié)果就有了內(nèi)爆方式，其最初構(gòu)思如上圖c中所示：將可裂變物質(zhì)的亞臨界部分安裝在管或球體的內(nèi)部，并將其同時(shí)推入一個(gè)超臨界的整體。在長(zhǎng)崎投下的钚彈就是在該種引爆方式的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)：它的次臨界核是一個(gè)實(shí)心球，被周圍的一層常規(guī)炸藥高速粉碎到臨界密度。內(nèi)爆機(jī)理不僅解決了預(yù)爆轟問(wèn)題，而且還利用了由一個(gè)被快速粉碎的核芯的較高密度而導(dǎo)致的較低臨界質(zhì)量。這一機(jī)理于1945年7月16日在新墨西哥州南部的“三位一體”試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了引爆測(cè)試。相比之下，在廣島投下的鈾彈，采用更緩慢、更簡(jiǎn)單的組裝射擊方式去引爆就足夠了。由于其設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性和鈾235的缺乏，它在沒(méi)有測(cè)試的情況下就被部署了。

在塞伯爾講座期間，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們有大量的工作要做。他們必須精確測(cè)量裂變和散射截面，次級(jí)中子數(shù)以及中子能譜。他們需要改進(jìn)理論計(jì)算，設(shè)計(jì)高速電子設(shè)備用于診斷試驗(yàn)和引發(fā)機(jī)理，研制引發(fā)劑并進(jìn)行危險(xiǎn)的、裂變物質(zhì)的近臨界組裝的試驗(yàn)。他們需要去發(fā)現(xiàn)自發(fā)裂變中出現(xiàn)的問(wèn)題并加以解決。最終，他們要將所了解到的一切與現(xiàn)有的軍事后勤和實(shí)踐相結(jié)合。研制原子彈是一場(chǎng)巨大的賭博。如果發(fā)生在洛斯阿拉莫斯或太平洋地區(qū)的歷史稍有差池，那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們可能與第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束就沒(méi)有任何關(guān)系了。

塞伯爾預(yù)見(jiàn)到了許多未知和挑戰(zhàn)，充分證明了他對(duì)該計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)、理論和操作問(wèn)題有極其深刻的理解。《洛斯阿拉莫斯入門(mén)》中的分析準(zhǔn)確、簡(jiǎn)練而緊湊，與之形成鮮明對(duì)比的是維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）的分析——即便是對(duì)于像臨界質(zhì)量這樣一個(gè)基本的物理量?！叭灰惑w”試爆以及廣島、長(zhǎng)崎核彈的爆炸將洛斯阿拉莫斯的工作推向了高潮。該實(shí)驗(yàn)室的影響將會(huì)以世界核武庫(kù)的形式一直存在，而圍繞和平利用核能的爭(zhēng)議也將持續(xù)不斷。

二戰(zhàn)后，塞伯爾在位于伯克利的歐內(nèi)斯特·勞倫斯輻射實(shí)驗(yàn)室工作了幾年，之后在哥倫比亞大學(xué)任職，從事核結(jié)構(gòu)、宇宙射線和粒子加速器等領(lǐng)域的研究，并在眾多的政府委員會(huì)和董事會(huì)任職。他于1978年退休，1997年去世，但他的名字將永遠(yuǎn)與物理學(xué)史上最重要的進(jìn)展和事件聯(lián)系在一起。